Спектрометрические характеристики HR-GaAs:Cr сенсоров рентгеновского излучения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Щербаков Иван Дмитриевич

• Щербаков Иван Дмитриевич
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Щербаков Иван Дмитриевич

ВВЕДЕНИЕ

1 ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ СЕНСОРЫ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ

1.1 Принцип действия полупроводниковых сенсоров

1.2 Материалы для полупроводниковых сенсоров

1.3 Материал на основе ОаАБ с глубокими уровнями

1.4 Сенсоры ионизирующих излучений на основе модифицированного хромом «-ОаАв

1.4.1 Основные характеристики ИК-ОаАв:Сг сенсоров

1.5 Метод монополярного дрейфа

1.6 Основные виды шумов

1.6.1 Шумы в полупроводниковых сенсорах

1.7 Выводы по главе 1 и постановка задачи

2 МЕТОД ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБРАЗЦОВ НА ОСНОВЕ ВЫСОКООМНОГО АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ (HR-GaAs:Cг)

2.1 Исследование распределения концентрации свободных носителей заряда в пластинах и-GaAs

2.2 Методика компенсации и-GaAs материала хромом

2.3 Карта удельного сопротивления для пластин HR-GaAs:Cг

2.4 Топология исследованных образцов

2.5 Выводы по главе

3 СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЕНСОРОВ НА ОСНОВЕ HR-GaAs:Cг

3.1 Методы измерения амплитудных спектров

3.1.1 Регистрация рентгеновского и гамма-излучений

3.1.2 Регистрация бета-излучения

3.2 Амплитудные спектры

3.2.1 Гамма- и рентгеновское излучения

3.2.2 Бета-излучение

3.2.3 Оценка собранного заряда

3.3 Эффективность сбора заряда сенсоров

3.4 Время жизни и дрейфовая длина носителей заряда

3.5 Метод измерения энергетического разрешения сенсоров

3.6 Уровень темнового тока сенсоров

3.7 Предельное энергетическое разрешение сенсоров с различными контактами

3.7.1 Влияние толщины металлического контакта на энергетическое разрешение сенсоров

3.7.2 Энергетическое разрешение сенсоров под действием импульсов излучения

3.8 Метод исследования временной разрешающей способности сенсоров

3.9 Быстродействие сенсоров при различной толщине активной области

3.10 Выводы по главе

4 ДРЕЙФ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В СТРУКТУРАХ НА ОСНОВЕ НК-ОаАв:Сг

4.1 Метод исследования импульсных характеристик на основе монополярного дрейфа

4.2 Конфигурация электрического поля в сенсорах с «сетчатым» контактом .. 105 4.2.1 Расчетные импульсные характеристики

4.3 Экспериментальные зависимости фототока

4.3.1 Облучение катода сенсора

4.3.2 Эффективность сбора заряда и время жизни электронов

4.3.3 Облучение анода сенсора

4.3.4 Встречно-штыревая структура и время жизни дырок

4.4 Подвижность электронов

4.5 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Спектрометрические характеристики HR-GaAs:Cr сенсоров рентгеновского излучения»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Все современные системы радиографии для науки, промышленности и медицины преимущественно построены на использовании после прохождения изучаемого объекта двухступенчатого преобразования квантов регистрируемого ионизирующего излучения: конвертор (сцинтиллятор) преобразует кванты излучения в УФ, либо видимое излучение, а кванты вторичного излучения преобразуются в импульсы электрического тока матрицами фотоприемников, ПЗС либо TFT-транзисторов. При двойном преобразовании падают быстродействие, динамический диапазон, а, главное, эффективность преобразования, DQE1 систем.

Последнее десятилетие в мире активно ведутся разработки полупроводниковых матричных сенсоров. Работы были стимулированы еще в девяностых годах потребностями физических экспериментов на большом

Л

адронном коллайдере, LHC CERN . Разработаны и выпускаются рядом японских и американских фирм микрополосковые и пиксельные сенсоры на основе особо чистого монокристаллического Si для регистрации координат заряженных частиц высоких энергий.

В последние пять лет синхротронное излучение (СИ) высокой интенсивности стало важнейшим универсальным инструментом изучения свойств материи, звезд, строения Земли, ископаемых артефактов, биомедицинских исследований молекул, вирусов при создании веществ с новыми свойствами. В мире построено уже более 70 синхротронных центров, на которых проводится более 20 тысяч экспериментов в год и развиваются технологии будущего. Примером может служить крупнейший проект XFEL3, который позволит исследовать процессы на моноатомном уровне. При высокой энергии фотонов синхротронного рентгеновского излучения в современных ускорителях, спрос на полупроводниковый высокоэффективный детекторный материал с большим

1 Detective Quantum Efficiency

2 Large Hardron Collider of Center European Research Nuclear

3 X-Ray Free Electron Laser

атомным номером Z стремительно растет. Это обусловлено также возросшими потребностями создания цифровой диагностической аппаратуры нового поколения для промышленности и медицины. Именно отсутствие стабильно работающих полупроводниковых сенсоров большой площади с высоким атомным номером Z сдерживает развитие мирового рынка систем радиографии нового поколения. И кремниевые сенсоры уже не в состоянии выполнить эту задачу, поскольку кремний прозрачен в области энергий квантов более 10 кэВ синхротронного, рентгеновского и гамма-излучений. Это определяет актуальность заявленных научных исследований и дало импульс к развитию перспективного научно-технологического направления по созданию полупроводниковых координатных детекторов с использованием полупроводниковых материалов и структур сложного состава. Наиболее перспективными полупроводниковыми материалами для диапазона энергий квантов более 15 кэВ рентгеновских лучей являются GaAs и Cd(Zn)Te.

Значительные усилия и огромнейшие финансы во всем мире вкладываются в развитие технологии Cd(Zn)Te. Лидерами в мире являются ACRORAD Ltd. (Япония), и американо-канадская REDLEN Ltd. Этими фирмами разработаны промышленные технологии и выращиваются слитки Cd(Zn)Te диаметром до 4-х дюймов (102 мм), из которых изготавливаются матричные сенсоры с максимальным размером 28,2 х 42,3 мм . Выращивание однородных слитков Cd(Zn)Te большего диаметра связано с чрезвычайными технологическими трудностями поддержания однородности температурного поля на фронте кристаллизации; при температуре роста более 1100 °С она должна быть не хуже 0,1 С, что практически недостижимо. В результате возможны двойникование и параллельный рост нескольких монокристаллов в едином процессе, что в итоге сказывается на цене материала.

Арсенид галлия по технологическим свойствам и соотношению цена/качество превосходит Cd(Zn)Te: значительно (в разы) ниже цена, GaAs более технологичен, выше однородность свойств, ниже уровень дефектности. Однако, попытка использования монокристаллов полуизолирующего GaAs (SI-GaAs),

выращенного по традиционной технологии методом LEC4, для изготовления сенсоров не дала желаемый результат. Многочисленные исследования, выполненные в мире 15-20 лет назад, показали, что дрейфовая длина электронов (основной параметр, определяющий работоспособность и характеристики детекторов) имеет низкое значение, и решить проблему увеличения дрейфовой длины в LEC SI-GaAs, выращенном по традиционной технологии, не представляется возможным.

Прогресс в технологии GaAs детекторного качества, позволил ТГУ разработать не имеющую мировых аналогов технологию HR-GaAs:Cг5 полупроводниковых структур, выйти в мировые лидеры по созданию матричных сенсоров для синхротронных центров нового поколения и открыть новые возможности для проведения научных экспериментов в области регистрации синхротронного излучения. Технологии HR-GaAs:Cг полупроводниковых структур и продукция в виде матричных сенсоров, разработанных и изготавливаемых в ТГУ, востребованы на мировом рынке, используются в ведущих мировых научных центрах. Сегодня ТГУ поставляет опытные образцы сенсоров с числом элементов более 1,5 миллионов, которые используются для регистрации синхротронного излучения, в экспериментальной физике высоких энергий, в системах формирования цифрового цветового изображения в рентгеновских и гамма-лучах медицинского, научного и промышленного назначения. Поэтому объект исследования является новым, конкурентоспособным, и актуальным.

Степень разработанности темы исследования. К началу работы над диссертацией было выполнено достаточно много технологических и исследовательских работ. Предложена и разработана оригинальная технология HR-GaAs:Cг структур диаметром до 100 мм и толщиной чувствительной области до 1,2 мм. Изучены электрофизические характеристики структур в зависимости от типа и уровня легирования исходного GaAs мелкой донорной примесью и степени

4 Liquid Encapsulated Czochralsky

5 HR- High Resistivity

компенсации глубокой акцепторной примесью хрома. Установлено, что в сильно компенсированных HR-GaAs:Cr структурах достигается предельно высокое удельное сопротивление до 3-4 ГОмсм, что превышает сопротивление собственного GaAs и на 1,5-2 порядка выше, чем удельное споротивление LEC SI-GaAs. Показано, что в сильно компенсированных HR-GaAs:Cr структурах время жизни неравновесных электронов возрастает в 15-100 раз по сравнению с промышленным исходным GaAs, легированным мелкими примесями. Разработана технология изготовления единичных и многоэлементных (микрополосковых и матричных) сенсоров различной конструкции с минимальными размерами

Л

единичных элементов до 55 х 55 мкм . Предложены и разработаны технологии контактных слоев на основе различных металлов, обладающих адгезионными свойствами. Показано, что все контактные металлические слои независимо от разности работ выхода образуют контакты Шоттки с разной высотой потенциального барьера. Исследованы температурные зависимости вольт-амперных характеристик сенсоров и предложена физическая модель, объясняющая полученные результаты. Изучены полевые зависимости амплитудных спектров при воздействии заряженных частиц высоких энергий (альфа-, гамма-, бета-частицы различных изотопов), а также квантов рентгеновского излучения в широком спектральном диапазоне. Показано, что экспериментальные результаты соответствуют теореме Рамо-Шокли и описываются формулой Хехта с учетом сбора из ионизационного трека только электронной компоненты заряда. Установлено, что основные характеристики матричных сенсоров существенно зависят от соотношения толщины чувствительной области (й) и размера пиксела (а): при а << й наблюдается эффект деления заряда между соседними пикселами, что значительно ухудшает работу многоэлементных сенсоров.

Цель и задачи исследования. Предлагаемая к защите диссертация посвящена малоизученным вопросам исследования электронных процессов в детекторных HR-GaAs:Cr структурах, имеющих исходно заданное, значительно различающееся время жизни неравновесных электронов. В связи с этим, была

сформулирована следующая цель работы: Исследование электрофизических, электрических, фотоэлектрических, спектрометрических и импульсных характеристик HR-GaAs:Cг структур с заданными предельно различающимися временами жизни неравновесных электронов.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Исследовать полевые зависимости амплитудных спектров и ССЕ6 сенсоров при воздействии заряженных частиц высоких энергий (гамма-, бета-частицы различных изотопов), а также квантов рентгеновского излучения в широком спектральном диапазоне. Методом интерполяции экспериментальной полевой зависимости эффективности сбора заряда, рассчитать время жизни электронов в исследуемом материале.

2. Методом амплитудного анализа определить предельное энергетическое разрешение для исследуемых структур. Установить связь между энергетическим разрешением и характеристиками полупроводниковых структур, а также металлов для формирования контактов. Исследовать влияние параметров аналоговой обработки сигналов на величину энергетического разрешения сенсоров.

3. Изучить природу и закономерности шумов, а также их влияние на энергетическое разрешение сенсорных структур.

4. Исследовать полевые и временные закономерности фотопроводимости HR-GaAs:Cr структур, сопоставить результаты с эффективностью сбора заряда, полученной из анализа амплитудного спектра.

5. Разработать метод, позволяющий исследовать процесс дрейфа носителей заряда, а именно, определять: время жизни и подвижность носителей заряда, эффективность сбора заряда и быстродействие сенсоров.

Научная новизна исследования.

1. Впервые исследованы полевые зависимости процессов дрейфа и захвата неравновесных носителей заряда в HR-GaAs:Cг структурах с технологически заданным значением времени жизни неравновесных электронов. Показано влияние времени жизни на электрические, фотоэлектрические и

6 Charge Collection Efficiency

спектрометрические характеристики, эффективность сбора заряда - ССЕ сенсоров.

2. Впервые проведено сопоставление ССЕ, полученных из амплитудных спектров при воздействии различных частиц и квантов ионизирующего излучения широкого спектрального диапазона, с импульсами фототока на основе метода монополярного дрейфа.

3. Впервые изучены временные характеристики взаимодействия коротких (пикосекундных) импульсов высокоинтенсивного рентгеновского излучения с HR-GaAs:Cr структурами. Изучено влияние контактов различных металлов к структурам на электрические, спектрометрические и шумовые характеристики сенсоров.

Теоретическая и практическая значимость исследования. Теоретическая значимость диссертационной работы заключается в использовании новых методов для исследований электронных процессов в структурах на основе компенсированного хромом высокоомного GaAs. Полученные новые знания позволяют описать природу доминирующего шума сенсоров и установить закономерность сбора и транспорта носителей заряда при поглощении полупроводниковым материалом квантов излучения.

Практическая значимость результатов заключается в возможности оптимизации технологии создания квантово-чувствительных структур, а именно:

1. Предложены научно-технологические пути улучшения энергетического разрешения сенсоров на основе HR-GaAs:Cr структур.

2. Установлены закономерности изменения электрических, фотоэлектрических и спектрометрических свойств HR-GaAs:Cr структур в зависимости от времени жизни неравновесных электронов.

3. Предложен более простой, быстрый и эффективный метод экспресс оценки основных характеристик детекторных структур (времени жизни неравновесных электронов и ССЕ) на основе анализа импульсов фототока.

4. Предложен метод оценки шумовых характеристик и уровня быстродействия сенсоров.

5. Выбраны оптимальный тип и конструкция металлического контакта к многоэлементным сенсорам на основе HR-GaAs:Cr структур.

Методология и методы исследования. Объект исследования представляет собой полупроводниковый сенсор, выполненный на основе компенсированного хромом высокоомного GaAs (HR-GaAs:Cr) с различным уровнем жизни электронов, на поверхность которого нанесены металлы, формирующие барьерный тип контактов.

GaAs детекторного качества получен методом введения компенсирующей глубокой акцепторной примеси хрома. На установке бесконтактного контроля Corema WT проведены исследования картографии однородности электрофизических свойств полученного HR-GaAs:Cr материала. Методами электронно-лучевого распыления на установках Edwards и химического осаждения из раствора был создан контакт к полупроводнику с использованием различных материалов. Методом фотолитографии сформированы контактные площадки в виде «сетки» и встречно-штыревой топологии для обеспечения поглощения ИК-излучения полупроводниковым материалом.

Спектрометрическим методом исследованы амплитудные спектры сенсоров при поглощении квантов ионизирующего излучения и при торможении заряженных частиц. Проведено моделирование амплитудных спектров для сенсоров с различным уровнем времени жизни электронов. Определены полевые зависимости эффективности сбора заряда и проведена оценка на основе уравнения Хехта времени жизни, подвижности и дрейфовых длин носителей заряда. Методом амплитудного анализа исследованы природа доминирующего шума сенсоров с различными контактами и влияние параметров аналоговой фильтрации на величину энергетического разрешения. Измерение временного отклика сенсоров с различной толщиной активной области проведено путем регистрации субнаносекундных импульсов рентгеновского излучения.

Методом монополярного дрейфа получены импульсные характеристики сенсоров при поглощении ИК-импульсов субнаносекундной длительности. Анализируя выходной сигнал сенсоров, определена скорость дрейфа электронов,

проведена оценка времени жизни носителей заряда на участке заднего фронта. Рассчитан заряд под кривыми фототока, полученными при различном значении напряженности электрического поля. Проведен численный расчет конфигурации поля в исследуемых структурах и импульсов фототока методом решения уравнений Пуассона и непрерывности с учетом перезарядки глубоких уровней.

Положения, выносимые на защиту. В результате выполнения поставленных в диссертационной работе задач были сформулированы следующие научные положения, выносимые на защиту:

1. Природа доминирующего шума в HR-GaAs:Cr сенсорах определяется флуктуациями скорости дрейфа в неоднородном электрическом поле, инициирующая дробовой шум, а также величиной энергии связи металла контактов с полупроводниковым материалом, способным перестраивать приповерхностные слои HR-GaAs:Cr структур и формировать избыточные поверхностные состояния на границе контактов, ответственные за процесс захвата носителей заряда, приводящий к колебаниям выходных сигналов и наложению добавочного фликкерного шума.

2. Контакты, выполненные в виде периодической «сетки», деформируют напряженность электрического поля в подконтактной чувствительной области полупроводниковых HR-GaAs:Cr структур так, что монополярный дрейф носителей заряда включает:

- как латеральный сбор электронов на сеточный контакт, так и сбор дырок на сплошной контакт при положительном потенциале на сетчатом контакте;

- сбор только электронной компоненты заряда при отрицательном потенциале на сетчатом контакте.

3. Полевая зависимость импульса фототока электронов, наведенного пикосекундными ИК-импульсами излучения с длиной волны 830 нм в HR-GaAs:Cr структурах, определяется двумя конкурирующими физическими процессами заданными ростовыми дефектами исходного «-GaAs:

- дрейфом и захватом электронов на Е£2+-центры в области слабых полей,

EL

когда время захвата, хп становится меньше времени пролета tnp. электронов через чувствительную область;

- чисто дрейфовыми процессами электронов без захвата на Е£2+-центры в области сильных полей, когда дрейфовая скорость становится сравнимой с тепловой.

4. Предложен метод неразрушающего контроля HR-GaAs:Cr структур, основанный на анализе формы импульсов фототока пакета неравновесных носителей заряда, сформированных при поглощении квантов инфракрасного излучения на поверхности пластин, который позволяет определить основные электрофизические и спектрометрические характеристики сенсоров: время жизни носителей заряда, скорость дрейфа и подвижность электронов, эффективность сбора заряда.

Степень достоверности результатов исследования. Достоверность полученных результатов подтверждается непротиворечивостью основным закономерностям физики процессов, а также проведением оценочных расчетов и их корреляцией с данными экспериментов, выполненных с использованием локальных современных методик.

Апробация результатов исследования. Результаты научной работы представлены на следующих научных конференциях: XV Российская научно-студенческая конференция «Физика твердого тела» (г. Томск, 2016 г.); XIV Курчатовская междисциплинарная молодежная научная школа (г. Москва, 2016 г.); XIII Всероссийская конференция студенческих научно-исследовательских инкубаторов (г. Томск, 2016 г.); Международная молодежная научная школа «Актуальные проблемы радиофизики» (г. Томск, 2016 г.), международная конференция «Nano and Giga Challenges in Electronics, Photonics and Renewable Energy» (г. Томск, 2017 г.); Международный семинар «20th International Workshop on Radiation Imaging Detectors» (Швеция, г. Сундсвалль, 2018 г.); Международный семинар 21th International Workshop on Radiation Imaging Detectors (Греция, г. Колимбари, 2019 г.); Школа

молодых ученых «Актуальные проблемы полупроводниковых наносистем» (Новосибирск, 2019 и 2021 гг.); 59-я международная научная студенческая конференция (г. Новосибирск, 2021 г.).

Публикации по теме диссертации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 6 статей в журналах, включенных в Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук (из них 4 статьи в зарубежных научных журналах, входящих в Web of Science), 6 статей в сборниках материалов конференций, представленных в издании, входящем в Web of Science; получен 1 патент Российской Федерации.

Личный вклад автора. Личный вклад автора заключался в выполнении следующих работ:

1. Планирование исследований на основе анализа литературных данных;

2. Изготовление объекта исследований: подбор полупроводникового материала с различным уровнем времени жизни и высокой однородностью электрофизических свойств; разработка технологической карты и участие в процессе создания опытных образцов с различными типами контактов;

3. Оптимизация спектрометрических измерений с полупроводниковым сенсором на основе HR-GaAs:Cr. Пусконаладочные работы для выполнения исследований шумовых и импульсных характеристик;

4. Выполнение экспериментальных работ и набор статистики в области:

- измерения амплитудных спектров при взаимодействии сенсоров с ионизирующими излучениями, расчет эффективности сбора заряда;

- измерение шумовых характеристик в темновом режиме и в условиях поглощения инфракрасных (ИК) импульсов, расчет энергетического разрешения сенсоров, определение оптимальных параметров аналоговой обработки сигналов;

- измерение импульсных характеристик сенсоров и расчет времени жизни, подвижности носителей заряда;

5. Обработка и анализ полученных экспериментальных и расчетных результатов, описание физики процесса;

6. Написание статей, тезисов и представление полученных результатов на международных конференциях и выставках.

Благодарности. Выражаю благодарность коллективу Центра исследований и разработок «Перспективные технологии в микроэлектронике» НИ ТГУ, а именно:

- директору Центра Толбанову Олегу Петровичу за поддержку, наставления, советы и помощь в анализе результатов настоящей диссертации;

- руководителю лаборатории детекторов ионизирующего излучения Тяжеву Антону Владимировичу за помощь в разработке экспериментальных и расчетных методик исследования;

- всему коллективу технологического центра под руководством Зарубина Андрея Николаевича за предоставление оборудования и помощь в изготовлении объекта исследований;

- руководителю лаборатории неравновесных процессов в полупроводниковой электронике Прудаеву Илье Анатольевичу за проведение расчетов импульсных характеристик сенсоров;

- доценту кафедры полупроводниковой электроники Калыгиной Вере Михайловне за рецензирование полученных результатов и советы;

- младшему научному сотруднику лаборатории детекторов ионизирующего излучения Лозинской Анастасии Дмитриевны за помощь и советы в области экспериментальной части настоящей работы;

- ведущему инженеру лаборатории детекторов синхротронного излучения Шемерянкиной Анастасии Владимировне за помощь в разработке технологической карты создания контакта металл-полупроводник;

- младшему научному сотруднику лаборатории микроэлектроники мультиспектральной квантовой интроскопии Шаймерденовой Лейле Калитаевне за помощь в исследованиях однородности свойств полупроводникового материала;

- ведущему электронику лаборатории детекторов ионизирующего излучения Новикову Владимиру Александровичу за помощь в изготовлении высокоомных образцов методом компенсации;

- электронику лаборатории детекторов ионизирующего излучения Будникцому Давыду Львовичу за помощь в исследовании электрофизических характеристик материала.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 150 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений и списка литературы, включающего 133 наименований, из них 100 -на иностранном языке. Работа иллюстрирована 71 рисунком, 7 таблиц.

1 ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ СЕНСОРЫ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ

В настоящей главе приводится аналитический обзор литературы по свойствам полупроводниковых сенсоров ионизирующих излучений. Основной акцент сделан на структуры с глубокими уровнями на основе арсенида галлия. Выбор обусловлен перспективностью использования данного материала для конструирования детекторных структур в области регистрации ионизирующих излучений высокой энергии. Уделено внимание методике монополярного дрейфа, которая позволят определять основные электрофизические и фотоэлектрические параметры полупроводникового материала, а также шумовым характеристикам сенсоров.

1.1 Принцип действия полупроводниковых сенсоров

Анализ результатов исследований, представленных в открытой печати, показывает, что современные энергодисперсионные системы регистрации ионизирующих излучений могут быть получены как с использованием сенсоров с прямым преобразованием на основе твердотельных (полупроводниковых) камер [1-15], так и с помощью детекторов на основе структур «сцинтиллятор - кремниевый фотоприемник» [16, 17]. В настоящее время наблюдается высокий спрос именно на полупроводниковые детекторные системы, функционирующие по принципу прямого преобразования энергии излучения в соответствующий электрический сигнал. Отсутствие промежуточного этапа регистрации - сцинтиллятором, обеспечивает повышение эффективности преобразования энергии квантов, а также возможность улучшения энергетического разрешения системы.

Рассмотрим процесс взаимодействия фотонов со средой сенсора. При взаимодействии с атомами и электронами среды гамма-квант теряет всю свою энергию (процесс поглощения) или значительную часть своей энергии (процесс

рассеяния). Так как процессы поглощения или рассеяния статистические, не представляется возможным определить пробег для гамма-лучей. Согласно закону Бугера-Ламберта, фотонный пучок в веществе затухает экспоненциально согласно соотношению:

1 = 10 • е""1, (1.1)

где 10 - исходная интенсивность излучения, а - линейный коэффициент ослабления, й - толщина среды взаимодействия.

При взаимодействии фотонов с веществом выделяют три основных процесса [18-20]:

- фотоэффект,

- комптоновское рассеяние,

- образование электрон-позитронных пар.

При фотоэффекте атомы, как единое целое, полностью поглощают энергию фотона, при этом происходит освобождение электрона, находящегося на одной из глубоких оболочек атома (рисунок 1.1). Атом среды поглощает фотон и испускает фотоэлектрон, при этом возбужденный атом испускает рентгеновский квант или оже-электрон. Данный процесс является наиболее вероятным при энергии излучения до 0,2 МэВ. Сечение поглощения фотона на К-оболочке велико (около 80 %) из-за близости третьего партнера - атомного ядра, которое принимает на себя импульс отдачи.

гамма-квант

Фотоэлектрон

Характеристическое излучение

Рисунок 1.1 - Поглощение гамма-излучения при фотоэффекте [18]

Комптон-эффект определяет рассеяние фотонов на свободных или слабо связанных атомных электронах. Фотон с энергией ку0 часть своей энергии Ер передает комптоновскому электрону, а остаток энергии сохраняется в виде вторичного фотона с энергией ку< ку0 (рисунок 1.2). Комптон-эффект характерен в области энергий 0,2-0,5 МэВ

Рисунок 1.2 - Схематическое представление эффекта Комптона [18]

Рождение электрон-позитронных пар в кулоновском поле ядра происходит лишь в том случае, если энергия гамма-кванта в единицах массы больше массы покоя электрона и позитрона. Энергетический порог такого процесса 2т0 ■ с2 = 1,02 МэВ. Таким образом, образование пары электрон-позитрон в поле ядра и в поле атомных электронов возможно при условии ку > 2т ■ с2. Проходя через вещество, электрон такой пары, генерирует тормозное излучение и производит ионизацию атомов вещества, в то время как позитрон аннигилирует, создавая при этом новые фотоны. Рождение пар происходит в электрическом поле ядер, при этом фотон исчезает, а его энергия ку передается образовавшемуся электрону, позитрону и ядру.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Щербаков Иван Дмитриевич, 2023 год

- 2

:

: 1

i / rV Y

0,01

0,1

1 10

U, V

100

Рисунок 1.7 - Характерный вид ВАХ для сенсоров, выполненных на основе ИК-ОаАв:Сг: прямая и обратная ветви (а), отжиг контактов (б) [67, 68]

Авторы работы [68] для объяснения вида ВАХ представляют исследуемую структуру в виде эквивалентной схемы, представленной на рисунке 1.8. Сопротивление определяется объемом сенсора, а контакты формируют барьеры Шоттки. Исходя из этого, при подаче иь один из диодов при положительном потенциале оказывается прямосмещенным, а другой обратносмещенным. Для упрощения можно пренебречь падением напряжения на прямосмещенном диоде

02. Тогда эквивалентная схема будет состоять из последовательно включенного резистора Я и диода 01.

Dl

Металл

D2

Металл

ч \ R /

Ж СаА*:Сг

\

Рисунок 1.8 - Эквивалентная схема структуры со сплошными контактами на

основе ИЯ-ОаЛв:Сг [68]

Известно, что ВАХ представленной структуры с учетом эффекта Шоттки может быть определена на основе теории термоэлектронной эмиссии [68, 69]:

3

в/Зк

3 • вхр

4лгг0 й0

(1.3)

где 3 - плотность тока термоэлектронной эмиссии, к - постоянная Больцмана, Т - температура,

е - относительная диэлектрическая проницаемость,

£0 - электрическая постоянная,

й0 - толщина области пространственного заряда,

Фй - высота потенциального барьера на границе «металл-полупроводник» при нулевом напряжении смещения барьера Шоттки

Проведен расчет при различном значении высоты потенциального барьера на основе выражения (1.3) с учетом падения напряжения на резисторе Я, полученные ВАХ представлены на рисунке 1.9. Корреляция между расчетом и экспериментом наблюдается при использовании фь ~ 0,8 эВ.

I I 111||_I_I I I 1111|_I_I I I 111 ■ I_I_I I I 111||_I_I I I 111||_I_I I I

0,01 0,1 1 10 100

и, V

Рисунок 1.9 - Расчетные ВАХ сенсоров на основе HR-GaAs:Cr при различной высоте потенциального барьера: 1 - 0,75 эВ, 2 - 0,80 эВ и 3 - 0,85 эВ [68]

Показано, что участок 1 ВАХ определяется объемным сопротивлением материала сенсора [66]. Зависимость, представленная на рисунке 1.10 (а) получена на основе расчета дифференциального удельного сопротивления:

-1

. (1.4)

о

В области напряжений иь < 0,5 В величина р^ ~ 8 • 108 Ом •см.

В работе [57] зондовым методом исследовано распределение сопротивления по толщине детекторной структуры (рисунок 1.10 (б)). Установлено, что компенсированный материал на основе HR-GaAs:Cr имеет однородное

о

распределение р со средним значением 9 • 10 Ом-см.

1

ю"

ю'

(б)

▲ А У* д»-» \ 4 • • к А

■ - 1г -•- 1Г -А- 1Г -Л- 1Г ack " 1 аск о 2 аск*3 аск »4

0,01 0,1 1 10 100

О 100 200 300 400 500 600 700 800

U V Coordinate, цт

Рисунок 1.10 - Величина дифференциального удельного сопротивления (а) и распределение сопротивления по толщине активной области (б) [57,68]

Одним из фундаментальных параметров, определяющих функциональные возможности сенсоров ионизирующих излучений, является произведение величин цх (где ц - подвижность, т - время жизни носителей заряда). Многочисленные исследования [70-76] направлены на измерения амплитудных спектров при поглощении материалом сенсора квантов ионизирующего излучения (альфа, гамма или рентген). В отличие от кремния, структуры на основе HR-GaAs:Cr способны эффективно регистрировать гамма-кванты с энергией более 10 кэВ. Чаще всего в качестве исчтоника для исследований амплитудных спектров

241

используют изотоп америция ( Am). Анализ полученных результатов проводят на энергетической линии гамма-кванта 59,6 кэВ. На рисунке 1.11 (а) представлен вид амплитудного спектра при облучении со стороны катода (1) и анода (2) для сенсоров со сплошным типом контакта [70]. Авторами работ [71, 72] проведен расчет спектров для энергетической линии 59,6 кэВ (рисунок 1.11 (б)). Показано, что статистическое распределение числа импульсов тока по энергиям Eт регистрируемых гамма-квантов, может быть представлено следующим образом [71]:

' (^Н

ав

-(Еу-Еу о-ССЕ( X ))2 2а2

л/2^аЕ(1 - в~ай)

(1.5)

где а ~ 10 см-1 - коэффициент поглощения излучения с энергией Еу 0 = 59,5 кэВ,

х - точка поглощения,

- суммарное среднеквадратичное отклонение величины собранного заряда, ССЕ(х) - функция Хехта.

(а)

(б)

Рисунок 1.11 - Амплитудные спектры HR-GaAs:Cr сенсоров при поглощении квантов 59,6 кэВ: (а) со стороны катода (1), анода (2), (б) расчет [70, 72]

й

На основе измерений амплитудных спектров при различном напряжении смещения иь была рассчитана эффективность сбора заряда ССЕ, значение которой для исследуемых структур превышает 90 % (рисунок 1.12 (а)). Проведен ряд экспериментов [71, 73, 74] по определению радиационной стойкости сенсоров на основе HR-GaAs:Cr материала. Для этого экспериментальные образцы были облучены протонами с энергией 1,7 ГэВ и дозой от 0 до 300 МРад. Установлено, что радиационная стойкость сенсоров при таких условиях составляет 10 МРад (рисунок 1.12 (б)). При облучении потоком гамма-квантов радиационная стойкость достигает значения > 51 МРад.

(б)

1.0

с

Ф

ш

О

Оо.е

0,4

100 150

У, V

ш

и а

1.2

1.0

0.8

0.6

0.4

Рго(оп ¡ггасйаЕюп

-200 V Е =1.7 веУ

р

\ (б)

\ -200 V

\ 2ШУ

-450 V

_ ■

-1,1.1, I . I , I

2 4 6 8 10 12 АЬзогЬей с1озе, Мгай

Рисунок 1.12 - Зависимость эффективности сбора заряда от напряжения смещения (а) и поглощенной дозы (б) [66, 71]

Вид амплитудного спектра, полученный при регистрации бета-частиц, подробно рассмотрен в работах [73, 74]. На рисунке 1.13 (а) представлен характерный вид. Сбор заряда в сенсорах на основе ИК-ОаАв:Сг происходит преимущественно за счет дрейфа электронной компоненты. Поэтому величина ССЕ ограничивается значением около 50 %. Получена аппроксимирующая кривая при использовании параметра цихи для электронов, который равен примерно

4 2

3,24 • 10- см /В. Авторами работ [58, 66, 67] используется значение подвижности

л

электронов цп = 2500-3000 см /(В-с). Тогда время жизни для исследованных сенсоров составит т„ ~ 130-108 нс.

Попытки анализа амплитудных спектров при взаимодействии материала сенсоров с альфа-частицами показывают, что за счет плазменного эффекта получаются противоречивые значения ССЕ и цт [75, 76]. Сущность данного эффекта заключается в том, что тяжелые заряженные частицы, имеющие высокую ионизационную способность, создают в активной области сенсора высокую плотность генерированных электронно-дырочных пар. Выполняется условие для существования плазмы, описываемое плазменным временем под которым подразумевают интервал времени от момента попадания частицы в чувствительную область сенсора до момента распада плазменного состояния,

когда все неравновесные носители начнут дрейф в условиях приложенного смещения иь. Оценки показывают, что в рабочем диапазоне напряженностей поля от 1 до 3 кВ/см величина 1Р может достигать 9,5 нс. Поэтому расчетная величина (цити)а ~ 4,95 • 10-6 см2/В не является достоверной (рисунок 1.13 (б)).

(а) (б)

Рисунок 1.13 - Вид амплитудного спектра при торможении бета-частиц (а) и эффективность сбора заряда (б) [73, 75, 76]

1.5 Метод монополярного дрейфа

В экспериментальной главе 4 используется методика монополярного дрейфа (transient current technique - TCT) для исследований процесса дрейфа. В открытом доступе не обнаружено экспериментов с применением данного метода для сенсоров на основе HR-GaAs:Cr. Поэтому анализ литературы представлен для других полупроводниковых материалов.

Метод монополярного дрейфа является универсальным инструментом для определения распределения напряженности поля, эффективности сбора заряда, дрейфовой скорости и времени жизни носителей заряда [77-80]. Принцип метода заключается в измерении и анализе сигнала, наведенного движущимися в полупроводниковом объеме избыточными носителями заряда. Избыточные электроны и дырки генерируются падающим излучением. Как правило, для исследования подбирается лазерное или альфа-излучение. С помощью данного

метода были проведены исследования сенсоров ионизирующего излучения с различной топологией, на основе Si [81-84], Ge [85], Cd(Zn)Te [86-94] и SI (полуизолирующего) GaAs [95, 96].

В работе [83] представлены результаты исследований для кристаллов Si с разной кристаллографической ориентацией (<111> и <100>) в широком температурном диапазоне (243,15-323,15 К). Возбуждение электронно-дырочных пар проводилось короткими импульсами (менее 100 пс) излучения лазера с длиной волны 660 нм. В результате была проведена оценка значений подвижностей дырок и электронов, а также получены их температурные зависимости. Результаты показали хорошее соответствие с моделированием и результатами других экспериментальных методик. Погрешность определения подвижности дырок составила ± 15 % и ± 5 % - подвижности электронов.

Метод TCT широко используется для исследования эффектов поляризации в структурах на основе CdTe и CdZnTe и позволяет проводить оценку электрофизических характеристик данных материалов [87, 88, 92, 93]. Измерения проходят при облучении образцов альфа-частицами c энергией 5 МэВ,

241

источником которых является Am. Импульсы тока, измеренные при различных напряжениях на образце CdTe с золотыми контактами [94], показаны на рисунке 1.14. Экспоненциальный спад сигнала предполагает формирование положительного объемного заряда внутри образца. Была проведена оценка

Л

подвижности электронов Цсате = 918 см /В с, а также времени захвата носителей заряда на ловушки т^^ = 220 нс. Аналогичные расчеты были проведены для CdZnTe детекторов: подвижность и время захвата на ловушки составили ЦшгпГе = 979 см2/В с и тжпге = 2 мкс, соответственно.

Time (ns)

Рисунок 1.14 - Импульсы тока в образцах на основе СёТе [94]

Профили электрического поля, рассчитанные на основе полученных импульсных характеристик, показаны на рисунке 1.15. Напряженность электрического поля принимает максимальное значение у катода и линейно убывает при движении к аноду. Такой характер зависимости свидетельствует о формировании положительного объемного заряда в детекторе и изменении изгиба зон вблизи контактов [94].

Рисунок 1.15 - Распределение напряженности поля по толщине детектора [94]

В результате исследования импульсов тока были получены значения подвижности и времени захвата, которые могут быть использованы для расчета и аппроксимации зависимости эффективности сбора заряда от напряжения [86]. Показано, что данные о распределении напряженности поля, полученные методом

ТСТ, позволяют повысить точность определения произведения подвижности и времени жизни носителей заряда с помощью уравнения Хехта.

Авторами работы [86] на основе данных метода ТСТ, был проведен анализ электрического поля в детекторах на основе CdZnTe с омическими и барьерными контактами. Полученные результаты показали присутствие глубокого акцепторного уровня, лежащего ниже уровня Ферми.

Метод монополярного дрейфа использовался для характеризации полуизолирующего GaAs GaAs), выращенного методом Чохральского (ЬБС). В работе [95] были исследованы образцы с разной толщиной активной области в диапазоне от 240 до 590 мкм. Измерения проводились при облучении

241

а-частицами от источника Ат с интенсивностью 3,7 кБк. Результаты измерения импульсов тока для образца с толщиной 400 мкм приведены на рисунке 1.16 (а) при различных напряжениях на образце. С увеличением приложенного напряжения смещения изменяется форма импульса: возрастает площадь под кривой импульса, что соотносится с увеличением эффективности сбора заряда. При больших напряжениях рост площади под кривой становится менее выраженным, что также соответствует выходу ССЕ на насыщение (рисунок 1.16 (б)). Было показано, что амплитуда импульса тока уменьшается с увеличением толщины исследуемых образцов. Разница в эффективности сбора заряда между образцами одинаковой толщины может быть связана с различиями концентрации глубоких уровней в толще полупроводника.

Результаты исследований позволили сделать вывод о характере распределения напряженности поля в образцах: весовая функция электрического поля представляет отношение Е/Уж, где Е - напряженность электрического поля, обусловленная приложенным напряжением смещения, - это рабочее напряжение (напряжение истощения), соответствующее полному использованию всей активной области [95].

Time (ns) True Bias (-V)

Рисунок 1.16 - Импульс тока при различных напряжениях на образце SI

GaAs толщиной 400 мкм (а) и эффективность сбора заряда (б) [95]

С помощью метода монополярного дрейфа проводилось сравнение времени сбора заряда в детекторах, выполненных на основе SI-GaAs подложек, выращенных методами VGF (vertical gradient freeze) и LEC [96]. Измерения проводились при засветке лазерами с длинами волн 813 и 900 нм. Толщина исследуемого детектора из материала, выращенного методом Чохральского, составляла 600 мкм, второго исследуемого детектора (VGF) - 1000 мкм. На рисунке 1.17 представлены результаты измерений импульсов тока при засветке образцов. Для образцов с толщиной активной области 600 мкм (LEC-пластина) характерно наличие участка насыщения импульса (наблюдается «полка» в диапазоне 1-2 нс после максимального значения) и резкий спад, тогда как для образцов с толщиной 1000 мкм (VGF-пластина) характерны узкий пик и плавный спад. Такую разницу в формах импульсов авторы объясняют влиянием дырочной составляющей, которая в случае VGF-материала имеет более выраженный характер.

На основе полученных результатов был проведен расчет заряда, генерируемого в детекторе, а также проанализированы времена сбора заряда. Для двух образцов наблюдается увеличение заряда к его выходу на насыщение с ростом подаваемого напряжения, что соответствует характеру зависимости

эффективности сбора заряда. Время сбора заряда для образца на основе УОБ-материала составило до 6 нс, для образца на основе ЬБС-материала 2-3 нс. Такие результаты позволяют сделать вывод о различии механизмов захвата электронов для данных материалов [96].

(а)

(б)

20 21 "Лте (пв)

22 23

Рисунок 1.17 - Импульсы тока для образцов толщиной 600 (а) и

1000 (б) мкм [96]

1.6 Основные виды шумов

В любом полупроводниковом устройстве протекают флуктуационные явления, приводящие к случайному характеру значений различных физических величин. Шум в сенсорах ионизирующих излучений является серьезной проблемой, ограничивающей возможность регистрации низкоэнергетических квантов излучения, а также величину разрешающей способности по энергии. Детальных исследований флуктуационных процессов, протекающих в сенсорах на основе HR-GaAs:Cr, в литературе не приводится. Рассмотрим основные общие явления для полупроводниковых структур.

Сенсор является системой, в которой генерируются свободные носители, наводящие заряд на контактных площадках в условиях дрейфа. Процесс движения носителей может сопровождаться их захватом или рекомбинацией, что приведет к флуктуациям концентрации носителей заряда, силы тока и, в итоге, выходных

сигналов. Разделяют несколько типов шумов, определяющих величину энергетического разрешения сенсоров:

1. Тепловой шум. В любом элементе, при ненулевой абсолютной температуре, существует хаотическое движение носителей тока. Флуктуации концентрации характеризуют тепловой шум, который является не уменьшаемым видом шума [97]. Полупроводниковый детектор можно представить в виде ЯС-цепи, в которой Я - сопротивление детектора, С - емкость детектора. Спектр теплового шума, определяемый с помощью формулы Найквиста, может быть рассчитан по формуле:

/ - частота,

/с- частота среза, зависящая от постоянной времени ЯС-цепочки следующим

Спектр теплового шума ЯС-цепи (рисунок 1.18) называется лоренцевым. Значение шума максимально при частоте / ^ 0, при этом основное влияние оказывает сопротивление сенсора. При повышении температуры проявляются шунтирующие характеристики емкости сенсора: при / ^ да спектр убывает по

закону / "2 [98].

(1.6)

образом: /е = /(2пЯС)

4кТК

° /с

/

Рисунок 1.18 - Спектр теплового шума интегрирующей ЯС-цепи [98]

2. Дробовой шум наблюдается при дрейфе носителей тока под действием приложенного к полупроводнику напряжения смещения иь и может быть обусловлен неоднородностью распределения электрического поля, а, следовательно, флуктуациями тока в активной области сенсора [97]. Условия существования дробового шума [98]:

- Дискретность заряда электронов е = 1,6-10"19 Кл,

- Наличие выделенного направления движения электронов, то есть среднее значение скорости дрейфа ^ отлично от нуля.

При отсутствии выраженного направления движения генерируется тепловой шум. Формула Шоттки, анализ которой приведен в [16-19], определяет недиспергированный дробовой шум:

где /0 - значение тока через прибор.

3. Генерационно-рекомбинационный шум обусловлен случайным характером процессов генерации и рекомбинации свободных носителей тока. Характеристики такого шума содержат информацию о соответствующих генерационных и рекомбинационных потоках, и, следовательно, о временах жизни свободных носителей, а также о тех энергетических уровнях и зонах, между которыми эти потоки протекают. В первую очередь, эта информация касается параметров различных локальных центров, их концентрации, сечения захвата электронов и глубины залегания, соответствующих этим центрам энергетических уровней. Исследование генерационно-рекомбинационного шума позволяет обнаружить различные дефекты в полупроводниковой структуре и определить их параметры [99].

Шум данного типа может вызываться как прямой генерацией-рекомбинацией (через запрещенную зону), так и рекомбинацией через разрешенные уровни в запрещенной зоне, образованные дефектами структуры.

(1.7)

Рассмотрим случай, когда имеем полупроводник п-типа проводимости. Пусть в данном полупроводнике флуктуационные процессы проводимости связаны со случайным характером тепловых выбросов электронов с ловушечных центров Е{, а также с захватом носителей заряда на эти центры. Обозначим концентрацию ловушек Ыь а коэффициент захвата электрона на центр Сг. Введем в полупроводник мелкую донорную примесь, с концентрацией и глубокую, компенсирующую примесь Ыа. Таким образом, все глубокие уровни будут заполнены, а мелкие донорные уровни пусты. С учетом термодинамического равновесия, можно пренебречь генерационно-рекомбинационным шумом, связанным с этими уровнями и неосновными носителями заряда. Пусть в единице объема числа свободных и захваченных на ловушечные уровни электронов совпадают с их концентрациями. Спектральную плотность флуктуаций числа свободных электронов в таком полупроводнике можно легко получить с помощью методов Ланжевена и Фоккера-Планка [99]:

4Лп 2х

1 + Ю3!3

(1.8)

где Ли2 = (п 1 + и/ + р{ 1) , х = [ С (п + п1 + р,)]_1,

Е„

п - средняя концентрация свободных электронов: п = Nсе кт

П и р1 - средние концентрации электронов и дырок на ловушках, соответственно:

С кт \

п = N

1 + ge Е Е/

пК

п + п

; Рг = Кг~пг,

п1 - статистический фактор, плотность состояний, приведенный к глубине

залегания /-уровня: п1 = gNеe

А кт

Ис - эффективная плотность состояний в зоне проводимости,

Е^ - энергетическая глубина залегания уровня Ферми, отсчитываемая от дна зоны проводимости,

g - фактор вырождения ловушки.

Известно, что каждый центр захвата характеризуется временем жизни т. Это время связано с глубиной залегания центра в запрещенной зоне. Если подать

переменное напряжение с частотой /0 =1, то выбросы носителей будут

х

происходить в такт с приложенным напряжением. Графически спектральная плотность тока имеет вид, приведенный на рисунке 1.19.

Рисунок 1.19 - Спектральная плотность генерационно-рекомбинационного

шума [99]

4. Фликкер шум в теории Мак-Уэртера связывают с формированием поверхностных состояний на границе контакта металл-полупроводник. Определяют два типа таких состояний [100]:

- «Быстрые» - характеризуются малой постоянной времени и определяют частую рекомбинацию носителей заряда. Предполагают, что такие состояния расположены на поверхности полупроводникового материала и оксидного слоя, который всегда имеется.

- «Медленные», которые расположены в самом оксидном слое. Их энергия и плотность зависят от качества обработки поверхности и от окружающих газов.

В любом полупроводниковом изделии всегда существуют поверхностные состояния (рисунок 1.20), которые способны захватывать и удерживать заряд в течение некоторого времени т, по истечении которого носители туннелируют в разрешенную зону. Данный процесс приводит к формированию флуктуаций выходных сигналов, частота которых определяется временем захвата носителей заряда на уровень, образованный поверхностными состояниями.

Отличительной чертой фликкерного шума является форма его спектра. Экспериментальные исследования привели к следующему выражению для спектра этого процесса:

52\ =А (1.9)

]f у У ,

где А - параметр, который сопоставим с высотой спектра на частоте 1 Гц, у - определяет форму спектра, обычно его величина близка к 1.

Из-за того, что чаще всего у = 1, спектр имеет частотную зависимость вида ^^. Фликкерный шум иногда называют «^^ шумом» [99]. Данный шум

наиболее интересен тем, что он очень часто характеризует уровень разупорядоченности полупроводника или металла. При этом шумовые измерения

дают возможность обнаруживать дефектность материала. Уровень шума ^^

определяет предельную обнаружительную способность практически всех типов оптоэлектронных приборов.

Рисунок 1.20 - Энергетическая диаграмма с поверхностными состояниями

1.6.1 Шумы в полупроводниковых сенсорах

В работах [101, 102] исследование шумов полупроводниковых сенсоров проведено методом амплитудного анализа. Экспериментальные образцы представляли собой р+^-«-переходы и были получены в результате легирования высокоомного мелкой примесью бора [103, 104]. Сенсоры размещались в экранированной камере, подключенной к предусилителю. Измерения проводились в двух режимах: темновом и режиме засветки светодиодом. Для темнового режима использовался генератор импульсов, который задавал заряд через емкость С = 1 пФ на входе предусилителя. Величина «размытия» спектра полупроводниковым сенсором определяется как полная ширина на полувысоте исследуемого импульса (ПШПВ, или Е'НМ в англоязычной литературе).

На рисунке 1.21 представлены зависимости ПШПВ импульса от тока сенсора, измеренные в двух режимах. Кривая 1 получена при последовательном увеличении напряжения смещения в диапазоне 50-225 В. Для зависимости 2 напряжение было неизменно и составляло 50 В, а ток варьировался за счет подсветки сенсора излучением светодиода.

160-1-'-1-'-1-'-1-'-1-'-1-1-

4 6 8 10 12 14 16 и, 1рЬ чА

Рисунок 1.21 - Зависимость шума от протекающего тока через сенсор [101]

При значении тока менее 10 нА шумы в темновом режиме практически эквивалентны току, инициированному подсветкой при постоянном напряжении смещения 50 В. По характеру зависимости авторами [101] сделан вывод, что

уровень шума соответствует дробовому. Природа тока не сказывается на величине шума. Однако при и > 200 В возникают дополнительные шумы, связанные, вероятнее всего, с локальным пробоем структуры р+-п-перехода.

Была проведена работа по исследованию шума пиксельных р+-п-сенсоров на основе эпитаксиального ОаЛБ, толщиной 40 мкм [102]. Структура выращена на подложке п+-типа. Верхний слой р+-типа был подвержен шлифовке. Размер пикселя составлял 200 х 200 мкм , расстояние между пикселями - 50 мкм. Исследования шумовых характеристик проводились методом амплитудного анализа, а измерения выполнялись при облучении от источника 55Бе при температуре 20 °С. Время формирования в цепи усилителя составляло 6 мкс. На рисунке 1.22 приведен спектр, измеренный при напряжении смещения иь = 50 В.

ПТТ111В составила 242 эВ, также было показано, что основной вклад в шумовые характеристики детекторной сборки внес диэлектрик, использованный для пассивации пиксельного сенсора. Вклад в ПШПВ шума, связанного с токами сенсора, составляет порядка 110 эВ. Таким образом, существует необходимость совершенствования технологии пассивации. Если устранить шум диэлектрика, то общий шум снизиться с 275 эВ до 214 эВ [102].

1200

4 5 6 7 8 9 Виду [к*/]

Рисунок 1.22 - Спектр от 55Бе при облучении матричного детектора [102]

Исследования шумовых характеристик могут быть использованы для определения параметров ловушек [105]. Изучение поверхностно-барьерных БТ-ОаЛБ детекторов с толщиной активной области 250 мкм проводилось до и

после облучения высокоэнергетичными заряженными частицами (нейтронами, протонами и др.). Для необлученных детекторов было показано, что в диапазоне

частот до 5 кГц основной вклад вносит фликкер-шум (^^), а при увеличении

рабочей частоты - генерационно-рекомбинационный шум, характеризующийся зависимостью ^j1 ■ С помощью температурной зависимости константы тс,

полученной при анализе генерационно-рекомбинационного шума, можно определить энергию активации и сечение захвата ловушек в полупроводнике. Энергия активации ловушек составила 0,314 эВ, что в дальнейшем было подтверждено параметрами, полученных импульсов при исследовании монополярного дрейфа в тех же образцах. Данная энергия активации соответствует дефекту EL7.

Исследования после облучения детекторов нейтронами, протонами и

пионами показали уменьшение шумов детектора, в том числе 1 шума, что

связано с генерацией новых глубоких уровней и соответствующим изменением концентрации изначальных глубоких уровней в БЛ-ОаЛв. Расчет коэффициента шумоподавления показал уменьшение плотности объемного заряда с увеличением флюенса [105].

1.7 Выводы по главе 1 и постановка задачи

Согласно литературным данным, структуры на основе компенсированного хромом и-ОаЛБ обладают уникальными свойствами, позволяющими конструировать на их основе координатные детекторные системы для регистрации ионизирующих излучений различных видов. Высокое удельное сопротивление р« 109 Ом-см ограничивает уровень протекающего темнового тока и позволяет сенсорам эффективно работать в условиях комнатной температуры. Согласно проведенным исследованиям, симметричная структура металл-полупроводник-металл на эквивалентной схеме представляет собой два

встречно включенных диода Шоттки и сопротивление между ними. Высота потенциального барьера контактов составляет примерно 0,8 эВ. На основе спектрометрических исследований с использованием радионуклидов определена эффективность сбора заряда сенсоров, значение которой превышает 90 %. Показано, что за счет образования плазменного эффекта, определение параметров сенсора при поглощении альфа-частиц не является достоверным.

К началу работы над данной диссертацией для материала ИК-ОаЛв:Сг и сенсоров на его основе были не изученными следующие вопросы:

- влияние асимметрии дрейфовых длин на спектрометрические характеристики сенсоров;

- природа доминирующего шума и способы его фильтрации;

- влияние технологии формирования контактов на величину энергетического разрешения;

- величина временной разрешающей способности сенсоров и методы ее улучшения;

- не представлено детального рассмотрения процесса транспорта и сбора неравновесных носителей заряда в сенсорах на основе НК-ОаЛБ:Сг;

- нет прямых исследований подвижности электронной компоненты,

л

оценочные значения варьируется в пределах от 2500 до 3000 см /(В-с).

Исходя из вышеизложенного, поставлена цель настоящей диссертации и сформулированы задачи для ее достижения.

2 МЕТОД ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБРАЗЦОВ НА ОСНОВЕ ВЫСОКООМНОГО АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ (НК-СаАэ:Сг)

В данной главе представлен метод получения высокоомного материала детекторного качества на основе слиточного «-ОаЛБ, легированного мелкой донорной примесью. В качестве исходного был отобран материал от двух производителей, в главах 3-4 будет показано их основное различие, которое заключается в изменении значения времени жизни для электронов. На основе НК-ОаЛБ:Сг материала изготовлены сенсоры с различной топологией металлических контактов. Структуры со сплошной металлизацией исследованы в главе 3, где описано влияние толщины и материала наносимых контактов на спектрометрические характеристики сенсоров. Образцы с верхним контактом в виде «сетки» и встречно-штыревой топологией исследовались в условиях облучения ИК-импульсами. Результаты определения основных

п

электрофизических параметров сенсоров, представлены в главах 3-4.

2.1 Исследование распределения концентрации свободных носителей заряда

в пластинах и-СаАэ

Для изготовления сенсоров ионизирующих излучений были отобраны два слитка «-ОаЛБ, выращенных методом Чохральского. В процессе роста исходный материал был легирован мелкой донорной примесью (теллур). Выбор концентрации вводимой примеси описан в ряде работ [42, 43, 46]. Диаметр слитков составлял 3 и 4 дюйма, для простоты обозначим исходный материал следующим образом:

- Слиток диаметром 3 дюйма, производитель АО «Гиредмет» (Россия, г. Москва) - материал № 1.

7 Все технологические работы по изготовлению исследуемых экспериментальных образцов выполнялись совместно с сотрудниками и на оборудовании технологического отдела Центра ПТМ ТГУ под руководством Зарубина А.Н

- Слиток 4 дюйма, производитель Freiberger Compound Materials (Германия, г. Фрайберг) - материал № 2.

Методом проволочной резки слитки n-GaAs разделяли на пластины с толщиной не более 1 мм, после чего производились химико-динамическая шлифовка и полировка заготовок. Было отобрано по одной пластине из каждого слитка, на основе которых изготавливались опытные образцы. При этом материал № 1 взят из конца слитка, № 2 из начала.

Входной контроль материала n-GaAs заключался в измерении распределения концентрации равновесных носителей заряда с помощью Фурье-спектрометра ФСМ 1201П (рисунок 2.1 (а)) [106]. Данное устройство позволяет получать информацию о спектральном составе ИК-излучения, прошедшего через образец, и преобразовывать ее в распределение концентрации электронов по пластине.

Схематически блок-схема Фурье-спектрометра представлена на рисунке 2.1 (б). Излучение от источника расщепляется на два пучка, проходя через светоделитель. Отражаясь от соответствующих зеркал интерферометра, излучение двух пучков складывается на светоделителе и регистрируется приемником, где производится преобразование в электрический сигнал. При перемещении одного из зеркал двухлучевого интерферометра Майкельсона, изменяется оптический путь для соответствующего пучка, и приемник фиксирует разность интенсивностей излучения двух пучков, отражающихся от подвижного и неподвижного зеркал. Зависимость сигнала приемника I(x) от оптической разности пучков интерферометра x называется интерферограммой. Спектр интенсивности S (5) рассчитывается на основе обратного Фурье-преобразования интерферограммы [106]:

S (5) = 2^ [ I (x)- 0,5/ (0)] 2л5х )Л

о

х.

(2.1)

где 5 - волновое число,

х.

max

максимальная оптическая разность хода.

Спектр пропускания был рассчитан как отношение спектра интенсивности 5 (5) к спектру интенсивности излучения, падающего на образец

50(5): Т(5) =5у На основе значения коэффициента пропускания в

области длин волн, соответствующих поглощению на свободных носителях заряда в п-ОаЛБ, был рассчитан коэффициент поглощения (а) согласно закону Бугера-Ламберта-Бэра:

Т (5) =

—асЗ

(2.2)

где й - толщина слоя вещества.

Концентрация равновесных электронов п была рассчитана как отношение коэффициента поглощения а к величине эффективного сечения

а

поглощения а: п =

а

Рисунок 2.1 - Общий вид установки ФСМ 1201П (а) и блок-схема Фурье спектрометра для определения концентрации носителей заряда в пластинах п-ОаЛБ (б) [106]

Результат измерения распределения концентрации равновесных электронов в исходном п-ОаЛБ представлен на рисунке 2.2. Исследования проведены в двух

направлениях: параллельно и перпендикулярно относительно базового среза (схема представлена на вставке рисунка 2.2). Как правило, для материала из начала слитка характерно W-образное распределение концентрации свободных носителей заряда (рисунок 2.2 (б)). К концу слитка концентрация легирующей донорной примеси возрастает в 2-3 раза. Формирование Ц-образного вида (рисунок 2.2 (а)) предположительно происходит за счет большего влияния концентрации доноров, так как в ходе роста происходит оттеснение примеси на поверхность слитка. Средняя концентрация свободных электронов для материалов № 1 и № 2 составила 3,2 • 1016 и 4,0 • 1016 см-3, соответственно.

3,4*10™ 3,3*10" 3,2*10" 5 3,1x10* 3,0*10™ 2,9*10" 2,8*10"

Рисунок 2.2 - Распределение концентрации свободных носителей заряда в пластинах n-GaAs материалов № 1 (а) и № 2 (б)

2.2 Методика компенсации n-GaAs материала хромом

Физический процесс компенсации n-GaAs материала глубокой акцепторной примесью Cr подробно изложен в пункте 1.3. В данном разделе кратко описана технология формирования высокоомного (HR - High Resistivity) материала детекторного качества (рисунок 2.3)8:

- На первом этапе пластины n-GaAs подвергаются химической обработке, которая заключается в очистке поверхности от жировых и механических

X, ММ X, мм

8 Работа выполнена совместно с м.н.с. Центра ПТМ ТГУ Шаймерденовой Л.К.

загрязнений в органических растворителях, с последующим декапированием для удаления остаточных окислов, финишной промывке в деионизованной воде и сушке в атмосфере азота.

- Вторым этапом является напыление хрома на поверхность подготовленных пластин. Формирование слоев Cr производилось с обеих сторон заготовок при помощи установки электронно-лучевого распыления от производителя Edwards.

- Третий этап - двухсторонняя диффузия Cr в пластинах n-GaAs. Для этого полученные заготовки с нанесенным слоем хрома помещали в диффузионную печь, где производился отжиг. Температура и время диффузионного отжига определяли на основе анализа данных по распределению и величине исходной концентрации свободных носителей заряда (рисунок 2.2). Неоднородное распределение исходной концентрации требует подбор соответствующей температуры диффузионного отжига для каждой точки пластины. Оптимальная температура для края пластины n-GaAs оказывается выше относительно центральной части за счет большей концентрации свободных носителей заряда на краях заготовки. Эмпирическим путем подобраны режимы диффузионного отжига, позволяющие получать однородное распределение электрофизических параметров заданной величины по пластине GaAs (п. 2.3).

- Заключительным этапом являлось удаление поверхностных слоев, деструктурированных при высокой температуре. Для этого проводились химико-динамическая шлифовка и полировка компенсированного хромом материала. Толщина полупроводникового материала на выходе технологического процесса составляла около 500 мкм.

Рисунок 2.3 - Последовательность изготовления материала детекторного качества

2.3 Карта удельного сопротивления для пластин НЯ-СаАэгСг

Исследования электрофизических и спектрометрических характеристик проводились для структур, изготовленных из различных частей полупроводниковых пластин (п. 2.4). Для исключения влияния неоднородности материала на получаемые результаты, представленные в главах 3-4 настоящей работы, необходимо было обеспечить минимально возможный разброс электрофизических параметров по площади пластины.

Оценка однородности выполнялась путем измерения величины удельного электрического сопротивления в каждой точке пластины при помощи установок неразрушающего контроля Согета WT9 [107]. Удельное сопротивление оценивалось на основе емкостного метода. Сопротивление Яп и емкость пластины Сп площадью Б, толщиной й выражаются известными формулами:

9 Работа выполнена совместно с м.н.с. Шаймерденовой Л.К., Центра ПТМ ТГУ

Rn = pd / S, (2.3)

СП = ss0 S / d, (2.4)

где s - диэлектрическая проницаемость материала, s0 - электрическая константа.

Произведение RC обеспечивает независимость от геометрических параметров исследуемого материала:

RnСП = PSSo . (2.5)

Блок-схема экспериментальной установки для определения удельного сопротивления показана на рисунке 2.4 (а). Верхний электрод выполнен в виде цилиндра диаметром 1 мм, высота которого равна толщине исследуемого образца. Кольцевой электрод необходим для создания однородного электрического поля между верхним цилиндрическим и широким нижним электродом, который служит опорой для исследуемой полупроводниковой пластины. Вторая емкость Св определяется воздушным зазором между верхним электродом и поверхностью исследуемой пластины. Суммарная емкость двух последовательно включенных конденсаторов определяется следующим образом:

. (2.6)

С В + С П

Предположим, что оба конденсатора (рисунок 2.4 (б)) не заряжены, а в некоторый момент времени / = 0 прикладывается напряжение смещения и и конденсаторы мгновенно заряжаются:

Q (о) = си.

(2.7)

В момент времени t > 0 происходит перенос носителей заряда через сопротивление образца Яп, конденсатор Сп постепенно разряжается. Снижение напряжения на конденсаторе Сп и соответствующее увеличение напряжения на конденсаторе Св обеспечивает дополнительный заряд на Св от внешнего источника. Емкость Сп полностью разряжается и заряд определяется следующим образом:

2 Н = Сви. (2.8)

Зависящий от времени мгновенный заряд описывается уравнением, представленным ниже [107]:

2 (')

с2

Сб -и

с + с

Г

1 -

V

+

2 (0) >

(2.9)

у

где

I = Яп (Св + СП ).

(2.10)

При использовании выражений (2.4-2.8) рассчитывалось значение удельного сопротивления исследуемого материала ИК-ОаЛБ:Сг [107]:

СП1

2 (0 )'

(СБ + СП )^о 2 (^)еЕо'

(2.11)

Нижний электрод

Рисунок 2.4 - Блок-схема установки бесконтактного контроля удельного сопротивления в пластинах НК-ОаАв:Сг (а), эквивалентная схема измерительной цепи (б) [107]

Результат измерения распределения удельного электрического сопротивления представлен на рисунке 2.5. Средняя величина для исследуемых материалов составила р» (1,2-1,6) • 109 Ом-см. Согласно полученным оценкам, разброс р по площади пластин из материалов № 1 и № 2 не превышает 10 %. На основе представленной карты сопротивлений были выбраны однородные участки пластин для изготовления экспериментальных образцов.

(б)

1 Г ■ " ■ |1 к и

-1 >

Координата, мм

Координата, мм

Рисунок 2.5 - Карта удельного сопротивления: материал № 1 (а), № 2 (б)

2.4 Топология исследованных образцов

Экспериментальные образцы изготавливались на основе 6 частей пластины, схема расположения которых представлена на рисунке 2.6. Выделение необходимых участков выполнено методом прецизионной дисковой резки на установке ЛОТ7100.

Рисунок 2.6 - Схема расположения экспериментальных образцов

на пластинах ИК-ОаЛБ:Сг

В главе 3 представлены результаты исследования спектрометрических характеристик сенсоров с различными контактами и толщиной активной области. Для этого на поверхностях частей образцов № 1-4 (рисунок 2.6) были сформированы сплошные металлические контакты металл-полупроводник различной толщины с использованием следующих материалов: Сг, V, МУ и N1. Одним из этапов создания детекторов является сопряжение сенсора и считывающей аппаратуры для обработки сигналов. В представленной работе использовалась технология микросварки на металлических слоях Л1 или Ли. Для этого на поверхность адгезионного слоя (Сг, V, МУ и N1) были нанесены данные металлы (Л1 или Ли). Полученные линейки на основе ИК-ОаЛБ:Сг с различными контактами раскалывались на единичные сенсоры размером

л

3 х 3 мм (рисунок 2.7 (а)).

В данной работе представлены результаты экспериментов, полученные при поглощении ИК-излучения материалом сенсора. Для этого с помощью

фотолитографии были изготовлены образцы с верхним контактом в виде «сетки» и встречно-штыревой структуры (ВШС) (рисунок 2.7 (б), (в)). Заготовки на основе частей полупроводникового материала № 5, 6 (рисунок 2.6) методом дисковой

л

резки были разделены на образцы с размером 4 х 4 мм . Для устранения поверхностного тока утечки проведено освежающее травление граней образца в сернокислотном травителе.

4 мм

Обратный сплошной контакт

Рисунок 2.7 - Топология экспериментальных образцов: сплошные контакты (а), «сетчатый» верхний контакт (б), встречно-штыревая

топология (в)

В таблице 2.1 представлены толщина нанесенных слоев и способы изготовления контактов. Анализ толщины пленки выполнен при помощи оптического профилометра Profilm 3D [108]. В качестве примера, на рисунке 2.8 представлен вид топологии:

- «ступень» при изготовлении сплошных контактов,

- структура «сетчатого» контакта. Таблица 2.1 - Исследуемые структуры

Тип структуры Толщина слоя, нм Способ получения

Al/Cr/GaAs:Cr/Cr/Al (верхний контакт в виде «сетки» и ВШС) Cr: 30 Al: 1500 Cr - электронно-лучевое напыление, Al - магнетронное напыление

Сплошные контакты:

Al/Cr/GaAs:Cr/Cr/Al Cr: от 10 до 60 Al: 1500 & - электронно-лучевое напыление, Al - магнетронное напыление

Au/V/GaAs:Cr/V/Au V: от 30 до 90 Au: 1500 Электронно-лучевое напыление

Au/NiV/GaAs:Cr/NiV/Au NiV: от 50 до 150 Au: 1500 NiV - магнетронное напыление

Au/Ni/GaAs:Cr/Ni/Au Ni: 120 Au: 1500 № - Химическое осаждение из раствора

Рисунок 2.8 - Определение толщины и однородности напыленных слоев: «ступень» на поверхности HR-GaAs:Cr (а), топология сетчатого контакта (б)

2.5 Выводы по главе 2

1. Отобран исходный и-ОаЛБ от двух различных производителей, имеющий различный набор ростовых дефектов, который модифицирован акцепторной примесью с глубокими уровнями - хромом. Установлено, что независимо от фирмы-производителя исходного «-ОаЛБ, формируется материал детекторного качества и свойств. Показано, что измеренное распределение электрофизических параметров (тип и концентрация равновесных носителей заряда и удельное сопротивление) близки по величине для материалов № 1 и № 2. Разброс удельного электрического сопротивления в компенсированной хромом структуре не превышает 10 % по площади полупроводниковых пластин.

2. На основе модифицированного материала ИК-ОаЛБ:Сг были изготовлены экспериментальные образцы с различными типами, топологией и конфигурацией контактов для выполнения сформулированных задач и достижения целей диссертационной научной работы.

3 СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЕНСОРОВ НА ОСНОВЕ НК-СаАэ:Сг

В первой части главы представлены результаты исследования амплитудных спектров сенсоров при поглощении квантов ионизирующего излучения или при торможении частиц. Проведена оценка величины собранного заряда и построена полевая зависимость ССЕ. Установлены участки зависимости ССЕ(Е), характеризующие вклад электронов или дырок. Методом аппроксимации экспериментальных зависимостей уравнением Хехта проведен расчет параметра цт. Показано, что время жизни электронов для исследуемых материалов № 1 и № 2 принимает различные значения. Вторая часть главы посвящена исследованию шумовых характеристик для структур с различными контактами. На основе полученных зависимостей установлена оптимальная технология формирования контактов металл-полупроводник, позволяющая увеличить отношение сигнал/шум. Проведен эксперимент по выявлению корреляции между толщиной активной области сенсоров и уровнем временной разрешающей способности.

3.1 Методы измерения амплитудных спектров 3.1.1 Регистрация рентгеновского и гамма-излучений

Амплитудные спектры ИК-ОаЛБ:Сг сенсоров получали на установке, схема которой представлена на рисунке 3.1. Облучение проводилось со стороны катода сенсора. Расстояние от радионуклида до поверхности экспериментального образца со сплошными контактами (рисунок 2.8 (а)) составляло 5 мм. Электрическое поле в полупроводниковой структуре задавалось высоковольтным блоком напряжения БНВ-09. Наведенный квантом ионизирующего излучения, ток сенсора поступал на вход предварительного усилителя (ПУГ-01). Предусилитель интегрирует ток, усиливает сигнал, и, в виде импульсов напряжения, передает на

вход усилителя-формирователя, состоящего из СЯ-ЯС цепи с постоянной времени т = 250 нс. Усилитель-формирователь придает входному сигналу гауссову форму, коэффициент усиления подбирается исходя из согласования с динамическим диапазоном аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Измеряемый диапазон амплитуд разбивается на конечное число интервалов, каждому из которых присваивается порядковый номер (каналы). АЦП определяет значение амплитуды каждого импульса и задает соответствующий номер канала. Через плату интерфейса и программное обеспечение данные фиксировались и отображались на экране монитора компьютера.

Рисунок 3.1 - Блок-схема спектрометрического комплекса для измерения амплитудных спектров под действием квантов ионизирующих излучений

Чтобы сопоставить номеру канала АЦП собранный детектором заряд Qdet, была проведена калибровка спектрометрического комплекса. Для этого на тестовый вход измерительной схемы подавался опорный сигнал прямоугольной формы с генератора Г5-56 через емкость С = 1 пФ. Меняя амплитуду опорного сигнала в интервале от 1 до 5 мВ, был получен амплитудный спектр, вид которого представлен на рисунке 3.2 (а).

Определение номера канала АЦП, соответствующего наиболее вероятному событию в пике, проводилось путем аппроксимации распределением Гаусса [19]:

-1 -(^ЛРС -)2

Р = ~г— е ^ , (3.1)

V 2ла

где а - среднеквадратичное отклонение, N - текущий номер канала АЦП,

Ыт - номер канала АЦП, соответствующий наиболее вероятному событию.

Было установлено соответствие между номером канала Nm и числом носителей заряда, генерируемых опорным сигналом с амплитудой и: N = СП/е. Зависимость числа носителей заряда от номера канала АЦП представлена на рисунке 3.2 (б).

Методом аппроксимации прямой линией был определен номер канала АЦП, соответствующий заряду, генерируемому в НЯ-ОаАв:Сг сенсорах излучением с энергией Е0.

- (а)

-

yiul.Mil ш ш ш и.и \L.ll1 1_1 1

О 200 400 600 800

Канал ЛЦП

Результат калибровки - Аппроксимирующая прямая

(б)

200

400 600

Канал ЛЦП

800

Рисунок 3.2 - Амплитудный спектр при различной амплитуде прямоугольных импульсов (а), калибровочная зависимость (б)

3.1.2 Регистрация бета-излучения